磁性材料的研究现状与应用

磁性材料的研究现状与应⽤
磁性材料的研究现状与应⽤
磁性材料是功能材料的重要分⽀，利⽤磁性材料制成的磁性元器件具有转换、传递、处理信息、存储能量、节约能源等功能，⼴泛地应⽤于能源、电信、⾃动控制、通讯、家⽤电器、⽣物、医疗卫⽣、轻⼯、选矿、物理探矿、军⼯等领域,尤其在信息技术领域已成为不可缺少的组成部分。

磁性材料⼤体上分为两类：其⼀为铁磁有序的⾦属磁性材料；其⼆绝⼤多数为亚铁磁有序、具有半导体导电性质的⾮⾦属磁性材料。

磁性材料的发展过程⼤致可分为三个阶段：50年代以前主要研究⾦属磁性材料；50到80年代为铁氧体的黄⾦时代，除电⼒⼯业外，各领域中铁氧体占绝对优势；90年代以来，纳⽶磁性材料崛起。

磁性材料由3d过渡族⾦属与合⾦的研究扩展到3d-(4f,4d,5d,5f)合⾦与化合物的研究与应⽤。

同时，磁性功能材料也得到了显著的进展。

⼀、磁性的描述
磁及磁现象的根源是电流，或者说磁及磁现象的微观机制是电荷的运动形成原⼦磁矩造成的，⽽且，所有的物质都是磁性体，只是由于构成物质的原⼦结构不同，⽽显⽰出的磁学性能不同。

有铁磁性、亚铁磁性、反铁磁性、顺磁性、抗磁性以及⽆磁性等。

描述材料的磁性的物理量有磁化强度M、磁化率χ、磁感应强度B、磁导率µ。

根据物质磁化率的符号和⼤⼩，可以把物质的磁性⼤致分为五类：抗磁体、顺磁体、铁磁体、亚铁磁体和反铁磁体。

影响材料性质的有磁化强度随温度的变化。

即在不同温度下，磁化强度不同的性质。

铁磁材料的⾃发磁化在居⾥温度Tc处发⽣相
变，Tc以下为铁磁性，⽽Tc以上铁磁性消失。

同样亚铁磁性材料也具有类似的特性。

另外⼀个必须注意的因素便是磁各向异性，即磁学特性随材料的晶体学⽅向不同⽽不同的性质，典型特征便是在不同⽅向施加磁场会测得不同的磁滞回线。

磁性材料的基本特征可以分为两⼤类：
(1)完全由物质本⾝(成分组分⽐)决定的特性。

主要有饱和磁化强度Ms和磁感应强度Bs;
(2)由物质决定,但随其晶体组织结构变化的特性。

主要有磁导率、矫顽⼒Hc和矩形⽐Br/Bs，以及磁各向异性。

由此，利⽤和开发磁性材料就需要有分析技术和加⼯⼯艺两个⽅⾯的进展。

从历史上⽽⾔，按材料加⼯技术进展区分，⼤体可有以下⼏个阶段：
(1)熔炼铸造技术，获得铁及其合⾦等软磁和永磁材料。

(2)粉末冶⾦，开发绝缘性磁性材料、陶瓷材料和稀⼟永磁材料。

(3)真空镀膜，开发了镀膜磁性材料及⾮晶磁性材料，制成磁纪录介质及微磁学器件。

(4)单原⼦层控制技术，制备了定向晶体学取向型、巨磁电阻多层膜、⼈⼯超晶格等有特殊⽤途的磁性材料。

⽽磁性材料的开发和利⽤，也就是采取以上这⼏种技术⼯艺⽅法来加强所需要的性能，抑制不利于所需性能的因素。

⼆、软磁材料和永磁材料
软磁材料，也是⾼磁导率材料，是应⽤中占⽐例最⼤的传统磁性材料，多⽤于磁芯。

是指由较低的外部磁场强度就可获得很⼤的磁化强度及⾼密度磁通量的材料，对这种材料的基本要求是：
(1)初始磁导率µi和最⼤磁导率µm要⾼，以提⾼功能效率；
(2)剩余磁通密度Br要低，饱和磁感应强度Ms要⾼,以节省资源并迅速响应外磁场；
(3)矫顽⼒Hc要⼩，以提⾼⾼频性能；
(4)铁损要低以提⾼功能效率；
(5)电阻率要⾼，以减少涡流损失；
(6)磁致伸缩系数要低，以降低噪声；
(7)磁各向异性系数K要低。

现在所应⽤的⾼磁导率材料主要有：合⾦，如硅钢(Fe-Si)、坡莫合⾦(Fe-Ni)、仙台斯特合⾦(Fe-Si-Al)，⽤于发电机、变压器、马达等；软磁铁氧体，这⽅⾯有:Mn-Zn系、Ni-Zn 系、Cu-Zn系等，多⽤于变压器、线圈、天线、磁头、开关等。

另外，⾮晶态和薄膜也可制成软磁材料，⽽且还可以根据需要制备有特殊⽤途的磁性材料,如超晶格。

⽽永磁材料即⾼矫顽⼒材料，是⼈类最早认识到磁性的材料。

决定永磁体强度的主要指标是最⼤磁能积(BH)max，有较⾼的矫
顽⼒Hc和较⾼的残留磁通密度Br，这是永磁体的“三要素”。

这⽅⾯的材料有马⽒体钢，合⾦，如铁铬钴合⾦、钴镍铝合⾦等，铁氧体(MO·xFe2O3)等不含⾼价格⾦属元素的永磁材料。

稀⼟永磁材料———即稀⼟材料与过渡⾦属的合⾦，可分为R-Co系和R-Fe系。

粘结永磁材料是永磁材料重要的分⽀。

其性能虽低于烧结磁体，但它可以制备⼩型、异型的永磁体，⼴泛地应⽤于微型电机、办公⽤品、⾃动控制等领域。

永磁材料具有下列⼀些磁性上的特点：⾼的最⼤磁能积、⾼的矫顽⼒和内禀矫顽⼒、⾼的剩余磁通密度和剩余磁化强度以及⾼的居⾥温度和稳定性。

永磁材料具有⼴泛的应⽤领域,从军⼯到民⽤，从⼩到⼿表、照相机、CD机、摄像机,⼤到汽车、发电机、医疗器械、悬浮列车，永磁材料⼏乎⽆所不在，特别是稀⼟永磁材料更是发挥着重要的作⽤。

⽬前，永磁材料的研究和发展⽅向主要有以下两个：第⼀个研究⽅向是探索和发展新型的稀⼟永磁材料。

如ThMn12型体合物、Sm2Fe17Nx、Sm2Fe17C化合物等。

第⼆个研究⽅向是研制纳⽶复相永磁材料。

通常软磁材料的饱和磁化强度⾼于永磁材料，⽽永磁材料的磁晶各向异性⼜⾼于软磁材料，如将软磁相与永磁相在纳⽶尺度范围内进⾏复合获得⾼磁能积、⾼饱和磁化强度、⾼矫顽⼒的新型永磁材料。

三、铁氧体磁性材料
铁氧体作为⼀种具有铁磁性的⾦属氧化物，是由铁和其他⼀种或多种⾦属组成的复合氧化物。

实⽤化的铁氧体主要有以下⼏种晶体类型：①尖晶⽯型铁氧体，化学分⼦式为MFe2O4或M O﹒Fe2O3，M是指离⼦半径与⼆价铁离⼦相近的⼆价⾦属离⼦(Mn2+、Zn2+、Cu2+、Ni2+、Mg2+、Co2+等)或平均化学价为⼆价的多种⾦属离⼦组(如Li+0.5Fe+0.53)。

②磁铅⽯型铁氧体，与天然矿物—磁铅⽯Pb(Fe7.5Mn3.5Al0.5Ti0.5)O19有类似晶体结构，属于六⾓晶系，分⼦式为MFe l2O19或
BaO·6Fe2O3，M为⼆价⾦属离⼦Ba2+、Sr2+、Pb2+等。

③⽯榴⽯型铁氧体，与天然⽯榴⽯(Fe，Mg)3Al2(SiO4)3有类似晶体结构，属于⽴⽅晶系，分⼦式为R3Fe5O12或3Me2O3﹒5Fe2O3，M表⽰三价稀⼟⾦属离⼦Y3+、Sm3+、Eu3+或
Lu3+等。

④钙钦矿型铁氧体，与钙钛矿(CaTio3)有类似晶体结构，分⼦式为RFeO3，M表⽰三价稀⼟⾦属离⼦。

铁氧体材料组成结构同其磁率矫顽⼒和损耗的内票磁性不同。

各种铁氧体材料成分范围很宽，通过控制材料的组成，可以制备不同特性的铁氧体材料。

根据铁氧体磁性材料的应⽤情况，通常可将已被开发和正在开发的铁氧体材料分为软磁铁氧体、硬磁铁氧体、旋磁铁氧体、矩磁铁氧体和压磁铁氧体等5⼤类，它们⼜各有单晶、多晶和薄膜等多种形式。

铁氧体性能好、成本低、⼯艺简单、⼜能节约⼤量贵⾦属，已成为⾼频弱电领域中很有发展前途的⼀种⾮⾦属磁性材料。

虽然铁氧体磁性材料相对于⾦属磁性材料来说有很多优点，但是它还不能完全替代⾦属磁性材料，它和各种⾼质量的铁磁合⾦相⽐也有不⾜之处，其中最突出的是铁氧体的饱和磁化强度较低，通常只有纯铁的1/3⼀1/5。

这就是说，由于铁氧体单位体积中贮存的磁能较低，限制了它在要求有较⾼磁能密度的低频、强电和⼤功率领域内的应⽤。

四、磁性分析的应⽤
合⾦的磁化率取决于其成分、组织和结构状态，从磁化率变化的特点可以分析合⾦组织的变化，以及这些变化与成分和温度之间的关系，尤其对于有⾊⾦属及合⾦常⽤这种⽅法。

例如，根据单向固溶体的顺磁性⽐两相混合组织⾼，且混合物顺磁性和成分之间呈直线关系的规律，可以测定合⾦在某⼀温度下的最⼤溶解度。

⽽铁磁性分析在⾦属研究中应⽤⼴泛，可以⽤来研究合⾦的成分、相和点阵的结构、应⼒状态以及组织转变等⽅⾯的问题。